Мусил Я., Новикова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах

Подождите немного. Документ загружается.

КОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ

Такое ингибирование обратимо и активность

фермента может быть восстановлена добавлением

высоких концентраций субстрата. Конкурентное

ингибирование вызывается соединениями с мень-

шей, чем у субстрата, специфичностью к связываю-

щей области фермента, в результате чего они могут

связываться, но не обязательно подвергаться хими-

ческому превращению. Скорость реакции зависит

от соотношения концентраций ингибитора и суб-

страта и их относительного сродства к ферменту.

Кажущаяся величина К

в присутствии конку-

рентных ингибиторов увеличивается.

НЕКОНКУРЕНТНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ

Такое ингибирование не может обращаться из-

бытком субстрата. Ингибитор связывается в ином

месте, нежели субстрат и структурно отличается от

субстрата. Скорость реакции зависит от концентра-

ции ингибитора и от константы ингибирования К

Кажущаяся величина V

max

уменьшается с ростом

АЛЛОСТЕРИЧЕСКОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ

Оно может быть как обратимым, так и необра-

тимым. Аллостерическое ингибирование вызывает-

ся связыванием отрицательного эффектора (инги-

битора) по месту (регуляторный центр), отличному

от активного центра. Такой аллостерический инги-

битор часто является конечным продуктом дей-

ствия мультиферментных систем. Зависимость ско-

рости реакции от концентрации субстрата и инги-

битора непроста и не может быть выражена через

изменение К

. Это связано с тем фактом, что зави-

симость начальной скорости от концентрации суб-

страта для аллостерических ферментов обычно

имеет S-образный характер.

Класс

1. Оксидоредуктазы

2. Трансферазы

3. Гидролазы

4. Лиазы

5. Изомеразы

6. Лигазы

Подгруппа Катализируемая реакция

Гидрогенизация

и дегидрогенизация

Перенос функциональных групп

2.1 Одноуглеродных остатков

2.2 Альдегидной или кетонной группы

2.3 Ацила

2.4 Гликозила

2.5 Алкильной (но не метила) или

арильной группы

2.6 Азотсодержащей группы

2.7 Фосфорсодержащей группы

2.8 Серосодержащей группы

Гидролитические реакции

3.1 Сложных эфиров

3.2 Гликозидов

3.3 Простых эфиров

3.4 Пептидов

3.5 Других С—N-связей

3.6 Ангидридов кислот

Присоединение по двойной связи

Изомеризация

5.1 Рацемазы и эпимиразы

5.2 цис-транс-Изомеразы

5.3 Внутримолекулярные оксидоредук-

тазы

5.4 Внутримолекулярные

трансферазы

Образование связей с использованием

АТР

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ

Название фермента часто складывается из на-

звания субстрата с прибавлением суффикса -аза.

Так, аргиназа катализирует гидролиз аргинина,

фосфатаза гидролизирует фосфорные эфиры и т. д.

Другой способ - добавление суффикса к названию

катализируемой реакции. Например, дегидрогеназа

катализирует отрыв водорода, гидролаза катализи-

рует гидролиз, трансфераза переносит химические

группы и т.д. Некоторые, ранее описанные фер-

менты сохранили тривиальные названия, такие, как

трипсин, пепсин, каталаза.

Так как число известных ферментов все время

растет, Международный биохимический союз реко-

мендовал ввести десятичную систему названий

ферментов, основанную на природе катализируе-

мой реакции. Такая классификация содержит пря-

мое указание на характер протекаемого процесса.

В 1972 г. Комиссия по номенклатуре биохимиче-

ских соединений Международного союза теорети-

ческой и прикладной химии (IUPAC) опубликовала

новые «Правила номенклатуры ферментов».

Первая цифра в классификации означает

главный класс (например, цифра 2 означает транс-

феразы), следующая цифра относится к некой ха-

рактеристике реакции (например, 2.1 указывает на

перенос одноуглеродного остатка), последующая

цифра предусматривает дальнейшие детали (2.1.1

означает перенос метальной группы). В настоящее

время используются как систематические, так

и тривиальные (но логически созданные) названия

ферментов.

Фермент

Сукцинатдегидро-

геназа

Алкогольдегидро-

геназа

Альдегиддегидро-

геназа

Цитохромокси-

даза

NADH (или NADPH)

дегидрогеназы

Тип окисления

Спирт в альдегид

Альдегид

в кислоту

Ферро-

в феррипорфирин

Дигидропиридин

в пиридин

Основная реакция

Фермент

фосфотрансфе-

раза

Аминотранс-

фераза

Сульфотранс-

фераза

Ацилтрансфе-

раза

Переносимая

группа

Фосфорил -H

Амино -NH

Сульфурил -SO

Ацетил,

сукцинил,

аминоацил

Основная реакция

Фермент

Пептидазы

Гликозид-

гидролазы

Эстеразы,

липазы

Фосфо -

диэсте-

разы

Фосфата-

зы

Субстрат

Белки

Пептиды

Полисахариды,

дисахариды

Нейтральные

липиды,

фосфолипиды

Полинуклеотиды

Эфиры

фосфорной

кислоты

Атакуемая

связь

Пептидная

Гликозидная

Эфирная

Фосфодиэфир-

ная

Фосфомоно-

эфирная

Основная реакция

ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ

Существует несколько типов окислительно-вос-

становительных ферментативных реакций. Фер-

менты этого типа переносят водород или электроны

и катализируют биологическое окисление. В их со-

став входят специфические коферменты. Они под-

разделяются в соответствии с донором, от которо-

го переносится водород или электрон, или

в соответствии с акцептором, к которому идет

перенос.

ТРАНСФЕРАЗЫ

Переносят группы атомов с помощью специфи-

ческих переносчиков, которые действуют как ко-

ферменты. Они играют роль в биохимических пре-

вращениях и могут переносить метильные, карбок-

сильные, амино-, сульфо-, формильные (C

) или

фосфорильные группы.

ГИДРОЛАЗЫ

Катализируют гидролитическое расщепление и

называются в соответствии с типом разрываемой

связи (гликозидазы, эстеразы и т.д.).

Фермент

Декарбоксилаза

Альдолаза

Лиаза или

синтаза для обра-

тимых процессов

Дегидратаза

Дезаминаза

Уходящая

группа

СО

Кетокислота

Основная реакция

Фермент

Глюкозо-6-фос-

фатизомераза

Фосфоглицерат-

фосфомутаза

Рацемаза

Изомеризую-

щаяся группа

Карбонил

Фосфорил

Гидроксил

или

водород

Возможные

положения группы

Основная реакция

Фермент

Аминоацил-тРНК-синтетаза

Глу

таминсинтетаза

Лигаза аминокислот

Ацетил-СоА-карбоксилаза

образующаяся

связь

С-О

C-N

С-С

Пример

Активация аминокислот - белковый синтез

Биосинтез глутамина

Синтез белка

Синтез жирных кислот (образование

малонил-СоА)

ЛИАЗЫ

Отщепляют группы от молекулы субстрата не-

гидролитически: они также образуют двойные свя-

зи или присоединяют группы по двойным связям.

Они могут отщеплять СО

, Н

О, NH

и более

сложные группы.

ИЗОМЕРАЗЫ

Катализируют превращения изомеров, включая

рацемизацию, цис-транс-изомеризацию, перемеще-

ние двойных связей, обмен групп у асимметриче-

ского атома углерода, перемещение фосфатной

группы к другому атому углерода и т.д.

ЛИГАЗЫ

Являются ферментами, синтезирующими связи

с помощью макроэргических фосфоангидридных

соединений. В качестве таких компонентов может

выступать АТР или другое макроэргическое соеди-

нение, а также биотин в процессах ферментативно-

го карбоксилирования.

Метаболизм аминокислот

Аминокислоты являются важнейшими субстратами метаболизма азота в гетеротрофных организмах. От

аминокислот берут начало белки, ферменты, пуриновые и пиримидиновые основания (и нуклеиновые кис-

лоты), пиррольные производные (порфирины), биологически активные соединения пептидной природы (гор-

моны), а также ряд других соединений. При необходимости аминокислоты могут служить источником энер-

гии, главным образом за счет окисления их углеродного скелета.

В живых организмах аминокислоты образуют пул, величина которого во взрослом состоянии остается

в физиологических условиях постоянной. Она соответствует разнице между поступлением аминокислот извне

или иногда из эндогенных источников, и расходом аминокислот, служащих субстратами в анаболических

и катаболических процессах. Живые организмы не запасают аминокислоты и белки впрок, поэтому необходи-

мое количество азота (лучше в форме аминокислот) должно поступать с пищей. Во взрослом организме в фи-

зиологических условиях количество поступающего и выводящегося азота одинаково (азотное равновесие).

Аминокислоты из экзогенных источников (из пищи) всасываются в пищеварительном тракте и переносятся

кровью в печень и другие ткани и органы, где они далее используются. Кроме того, источником аминокислот

(эндогенный источник) могут служить тканевые белки организма, которые постоянно подвергаются метабо-

лизму с освобождением входящих в них аминокислот. Эти аминокислоты используются для синтеза новых

белков лишь в малой степени, однако эндогенные источники очень важны, поскольку они обеспечивают

около двух третей всего пула аминокислот, и только одна треть аминокислот поступает из пищи. Это было

показано изучением обращения тканевых белков с помощью изотопов. Скорость распада и синтеза индиви-

дуальных белков (выраженная в биологическом полупериоде) различна для разных тканей одного и того же

организма. Так, биологический полупериод белков печени и плазмы крови составляет 10 сут, белков слизи-

стой оболочки кишечника - всего лишь несколько суток, а полупериод гормонов белковой природы и фермен-

тов - только часы или минуты (для инсулина 6-9 мин). В среднем полупериод распада белка в организме че-

ловека, как было вычислено на основе различных данных, составляет 80 сут.

Незаменимые аминокислоты - это те аминокислоты, которые не могут синтезироваться данным организ-

мом. Для человека это Val, Leu, Ile, Lys, Met, Thr, Phe, Trp и, в определенных условиях, также Arg и His.

Использование аминокислот как блоков для белкового синтеза описано в гл. XIII, а их роль как субстра-

тов для синтеза других биологически активных соединений обсуждается в гл. VIII.

Превращения углеродного скелета аминокислот в аэробных условиях приводит к соединениям, которые

далее включаются в цикл лимонной кислоты и подвергаются там дальнейшему окислению. Этот процесс тре-

бует предварительного удаления аминогруппы. Чаще всего это достигается переаминированием, в ходе кото-

рого аминогруппа аминокислоты переносится на α-кетоглутаровую кислоту, которая в результате превра-

щается в глутаминовую кислоту. Затем специфическими дегидрогеназами глутаминовая кислота дезамини-

руется до α-кетоглутаровой кислоты и NH

. Аэробное дезаминирование аминокислот неспецифическими

оксидазами (кроме случая лизина) не является типичным для человека.

Переаминирование аминокислот также является важным связующим звеном между метаболизмом амино-

кислот (белков) и сахаров. В этот процесс вовлечены заменимые гликогенные аминокислоты, которые превра-

щаются в гликоген за счет глюконеогенеза через ряд промежуточных соединений цикла лимонной кислоты.

Углеродные атомы аминокислот могут включаться в цикл лимонной кислоты пятью возможными путями

в виде: а) ацетил-СоА, б) α-кетоглутаровой кислоты, в) сукцинил-СоА, г) фумаровой кислоты, д) оксалоаце-

тата.

а. Аминокислоты, входящие в цикл лимонной кислоты в виде ацетил-СоА, делятся на две группы. Из Cys,

Gly, Ser и Thr образуется ацетил-СоА через пируват (гликогенные аминокислоты), а из Leu, Lys, Phe, Tyr

и Trp образуется ацетил-СоА через ацетоацетил-СоА (кетогенные аминокислоты).

б. Аминокислоты Pro, His, Arg, Glu и Gln включаются через α-кетоглутарат.

в. Met, Ile и Val включаются через сукцинил-СоА.

г. Четыре углеродных атома Phe и Tyr включаются через фумарат.

д. Asn и Asp включаются через оксалоацетат.

Аммиак образуется при дезаминировании аминокислот. Он токсичен для организма и выводится в виде

различных соединений. У человека, других млекопитающих, а также у пластиножаберных рыб конечным

продуктом является мочевина, у птиц и пресмыкающихся - мочевая кислота и у костистых рыб конечный про-

дукт - NH

(образующийся деградацией глутамина). Только беспозвоночные могут выделять аммиак как та-

ковой в окружающую среду.

Мочевина образуется в результате процесса, который получил название цикла мочевины (орнитина). Для

биосинтеза мочевины требуются две молекулы аммиака (одна для образования карбамоилфосфата, а другая

для образования аспарагиновой кислоты). Источником аммиака для первой реакции служит окислительное

дезаминирование глутаминовой кислоты; для второй реакции используется аммиак из аспарагиновой кис-

лоты, которая образуется из глутаминовой кислоты при переносе аминогруппы на оксалоацетат. Обе реакции

протекают в матриксе митохондрий клеток печени. Глутаминовая кислота проникает в митохондрии из цито-

плазмы с помощью специфического переносчика. В цитоплазме находится предшественник глутаминовой

кислоты - α-кетоглутаровая кислота, являющаяся основным акцептором аминогрупп, переносимых от ряда

аминокислот в реакции переаминирования. Реакцией орнитина с карбамоилфосфатом образуется цитруллин,

который затем с участием аспарагиновой кислоты превращается в аргинин. Аргинин отщепляет молекулу мо-

чевины под действием аргиназы с образованием орнитина, замыкая, таким образом, цикл. В целом цикл

является эндергоническим процессом и требует три молекулы АТР (две для образования карбамоилфосфата

и одну для реакции цитруллина с аспарагиновой кислотой). Цикл мочевины происходит в печени.

Декарбоксилирование аминокислот - это процесс, который у высших организмов особенно интенсивно про-

исходит после смерти. Такие биогенные амины, как кадаверин и путресцин, образуются соответственно из

лизина и орнитина. В живых организмах аминокислоты декарбоксилируются под действием микробных де-

карбоксилаз (например, в толстой кишке).

Врожденное отсутствие некоторых ферментов, катализирующих метаболизм аминокислот, или снижение

их активности вызывает так называемые врожденные нарушения обмена. Эти пороки метаболизма связаны

с чрезмерным накоплением и выделением промежуточных соединений нормального превращения аминокислот

(например, фенилпирувата, гомогентизиновой кислоты, n-оксифенилпирувата).

ОСНОВНЫЕ ПУТИ

МЕТАБОЛИЗМА АМИНОКИСЛОТ

Белки синтезируются из аминокислот. Тирозин

образуется окислением фенилаланина. Met превра-

щается

гомоцистеин путем переноса

метильной

группы. Ser превращается в Gly, и наоборот, отще-

плением или присоединением активного формила

(с участием тетрагидрофолиевой кислоты и пири-

доксальфосфата).

Окситоцин и вазопрессин - это циклические пеп-

тиды с гормональным действием.

Глутатион - это трипептид γ-глутамилцистеи-

нилглицин.

Креатин образуется реакцией Arg с Gly и мети-

лированием промежуточного продукта - гуанидин-

ацетата.

Серотонин получается гидроксилированием Trp

с последующим декарбоксилированием образую-

щегося 5-ОН-Trp.

Меланин образуется за счет превращения Tyr.

Гистамин образуется декарбоксилированием

His декарбоксилазой в присутствии пиридоксаль-5-

фосфата.

Адреналин (эпинефрин) - гормон, образующийся

при метаболизме Tyr.

Холин образуется метилированием этанол-

амина, при этом Met является донором «ак-

тивных» СН

Биосинтез порфобилиногена начинается с реак-

ции янтарной кислоты с Gly.

Фолиевая кислота (птероилглутаминовая кисло-

та) синтезируется из птеридина, β-аминобензоата

Glu.

Кофермент А образуется из аденозин-3',5'-ди-

фосфата и пантотеинфосфата. Пантотеновая кисло-

та образуется из пантоевой кислоты (α,γ-диокси-

β,β-диметилмасляной кислоты) и β-аланина.

Никотинамидмононуклеотид (NMN) образуется

из никотиновой кислоты, являющейся одним из

главных продуктов превращения Trp.

Синтез пуринов связан с метаболизмом амино-

кислоты Gly. Создание пуриновых оснований на-

чинается с модификации рибозо-5-Р. Первая стадия

биосинтеза пиримидинов заключается в реакции Asp

с карбамоилфосфатом. Молекула аспарагиновой

кислоты образует существенную часть скелета пу-

риновых и пиримидиновых ядер.

Сахариды образуются из гликогенных амино-

кислот, метаболизм которых заканчивается образо-

ванием пирувата, либо в процессе глюконеогенеза

из некоторых метаболитов цикла лимонной кис-

лоты.

Ацетил-СоА используется в синтезе жирных

кислот, которые образуются при деградации неко-

торых аминокислот.

Мочевина - конечный продукт распада амино-

кислот (см. цикл мочевины).

СО

выделяется при декарбоксилировании ами-

нокислот до аминов (в присутствии пиридоксаль-

фосфата).

Аммиак образуется при аэробном дезаминиро-

вании всех аминокислот. В этом процессе прини-

мают участие оксидазы.

МЕТАБОЛИЗМ АМИНОКИСЛОТ

ВЫСШИХ ЖИВОТНЫХ

Большинство реакций превращения аминокис-

лот протекает в печени. Здесь синтезируются белки

печени, а также большинство белков плазмы крови.

Распад этих белков протекает также в печени.

В печени синтезируются некоторые азотсодержа-

щие соединения: пуриновые и пиримидиновые ос-

нования, никотинамид, мочевая кислота, креатин,

мочевина. Некоторые из этих превращений оказы-

ваются необратимыми, и образующиеся соедине-

ния транспортируются из печени и выводятся из

организма с мочой. Кроме того, в печени синтези-

руются некоторые заменимые аминокислоты.

После дезаминирования углеродный скелет ами-

нокислот либо окисляется в аэробных условиях

и служит тем самым источником энергии, либо ис-

пользуется в биосинтезе, включаясь в цикл трикар-

боновых кислот.

ПЯТЬ ВАЖНЕЙШИХ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ

ПРЕВРАЩЕНИЙ АМИНОКИСЛОТ

1. Декарбоксилирование

Первичные амины образуются декарбоксилирова-

нием аминокислот. В эту реакцию вступают все

аминокислоты; образующиеся амины далее превра-

щаются под действием моноаминооксидаэы или

диаминоксидазы.

2. Окислительное дезаминирование

При окислительном дезаминировании аминокислот

образуются соответствующие кетокислоты. NAD,

FAD или FMN выполняют роль акцептора водоро-

да. В этой реакции принимают участие оксидазы

аминокислот и дегидрогеназы.

3. Переаминирование

Переаминированию подвергаются главным обра-

зом Glu, Asp и, в некоторых случаях, Asn и Ala. Од-

нако этот процесс может протекать и с участием

других аминокислот. Переаминирование - это ос-

новная биосинтетическая реакция заменимых ами-

нокислот, протекающая в присутствии кофермента,

роль которого выполняет пиридоксальфосфат.

4. Модификация боковой цепи

происходит главным образом при взаимных пре-

вращениях Ser <=> Gly, протекающих в присутствии

пиридоксальфосфата и тетрагидрофолиевой кисло-

ты, а также при образовании фосфосерина из Ser.

5. Полимеризация

Пептидные цепи (три-, тетра-, пента-, олиго- и по-

липептиды) возникают за счет полимеризации ами-

нокислот.

ТРИ ОСНОВНЫХ ТИПА РЕАКЦИЙ

АМИНОКИСЛОТ,

ДЛЯ ПРОТЕКАНИЯ КОТОРЫХ НЕОБХОДИМ

КОФЕРМЕНТ ПИРИДОКСАЛЬФОСФАТ

1. Переаминирование

Переаминирование - это наиболее распростра-

ненный путь синтеза глутаминовой кислоты из α-

кетоглутаровой кислоты и аспарагиновой кислоты

и, наоборот, аспарагиновой кислоты и α-кетоглута-

ровой кислоты из оксалоацетата и глутаминовой

кислоты. Аналогично протекает переаминирование

между глутаминовой кислотой и пируватом, в ре-

зультате которого образуется аланин.

2. Декарбоксилирование аминокислот

Все аминокислоты в присутствии пиридоксальфос-

фата могут декарбоксилироваться с образованием

биогенных аминов. Например, из серина образует-

ся этаноламин, из глутаминовой кислоты - γ-ами-

номасляная кислота, из 3,4-диоксифенилаланина

(DOPA) получается 3,4-диоксифенилэтиламин, из

гистидина - гистамин и т.д.

3. Рацемизация

Все аминокислоты, входящие в белки, принадлежат

к L-ряду, однако в некоторых клетках присут-

ствуют и D-аминокислоты (например, в клеточных

стенках некоторых микроорганизмов). Превраще-

ние D-формы в L-форму протекает в присутствии

пиридоксальфосфата.

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕГРАДАЦИЯ

УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА АМИНОКИСЛОТ

приводит к соединениям, которые включаются

в цикл лимонной кислоты в пяти различных ме-

стах. Реакция через ацетил-СоА может протекать

двумя путями:

1. Сначала синтезируется из аминокислот пируват,

затем из него после окислительного декарбоксили-

рования образуется ацетил-СоА.

2. Из аминокислот сначала образуется ацетоаце-

тил-СоА, из которого впоследствии получается аце-

тил-СоА. Метаболизм аминокислот - это сложный

процесс, протекающий через ряд промежуточных

продуктов. Эти продукты могут служить предше-

ственниками биологически важных соединений.

МЕТАБОЛИЗМ ТРИПТОФАНА

АМИНОКИСЛОТЫ, ПРЕВРАЩАЮЩИЕСЯ

В АЦЕТИЛ-СоА ЧЕРЕЗ ПИРУВАТ

Таких аминокислот пять: Ala, Cys, Trp, Ser, Thr.

Ala превращается в пируват при переносе амино-

группы на α-кетоглутарат. Ser дегидратируется

и дезаминируется под действием фермента серинде-

гидратазы, функционирующего в присутствии пи-

ридоксальфосфата. Thr либо разлагается в присут-

ствии пиридоксальфосфата ферментом треониналъ-

долазой до глицина и ацетальдегида (из последнего

соединения образуется ацетил-СоА), либо последо-

вательно превращается в глицин и серин, а затем

в пируват.

Cys разлагается до пирувата тремя путями;

окислительным декарбоксилированием пирувата

образуется ацетил-СоА. Gly превращается в Ser

присоединением оксиметильной группы в присут-

ствии N

5,10

-метилен-FН4, а затем серин превра-

щается в пируват.

Все аминокислоты в организме принимают уча-

стие в ряде синтетических процессов. Нижеследую-

щие схемы отражают метаболические пути, в ко-

торых участвуют аминокислоты.